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天體測量學是天文學中最先發展起來的一個分支,主要任務是研究和測定天體的位置和運動,建立基本參考坐標系和確定地面點的坐標。

1 天體測量學 -簡介

天體測量學中國古星圖

天體測量學是天文學中最先發展起來的一個分支,主要任務是研究和測定天體的位置和運動,建立基本參考坐標系和確定地面點的坐標。它包括球面天文學、方位天文學、實用天文學、天文地球動力學。天體測量依觀測所用的技術方法和發展順序,可以分為基本的、照相的、射電的和空間的四種。把已經精確測定位置的天體作為天球上各個區域的標記,選定坐標軸的指向,就可以在天球上確定一個基本參考坐標系,用它來研究天體(包括地球和人造天體)在空間的位置和運動。

2 天體測量學 -內容

天體測量學天體測量學內容
天體的位置和運動的測定屬於方位天文學的內容,是天體測量學的基礎。這種參考坐標系,通常用基本星表或綜合星表來體現。以天體作為參考坐標,來測定地面點在地球上的坐標,是實用天文學的課題,用於大地測量、地面定位和導航。地球自轉的微小變化,都會使天球上和地球上的坐標系的關係複雜化。為了提供所需的修正值,建立了時間服務和極移服務。地球自轉與地殼運動的研究,又發展成為天文地球動力學,它是天體測量學與地學各有關分支之間的邊緣學科。天體測量學的這些任務是相互聯繫,相互促進的。按學科內容劃分,列表如右圖。

3 天體測量學 -發展歷史

天體測量學的起源可以追溯到人類文化的萌芽時代。通過對星空的觀察,將星空劃分成許多不同的星座,並編製了星表。遠古時候,為了指示方向、確定時間和季節,先後創造出日晷和圭表。對茫茫星空的觀測,導致劃分星座和編製星表,進而研究太陽、月球和各大行星在天球上的運動。當時的天體測量學既奠定了曆法的基礎,又確認了地球的自轉和公轉在天球上的反映,從而逐漸形成古代的宇宙觀。因此,早期天文學的主要內容就是天體測量學。通過對天體的測量和研究形成了早期的天文學。

天體測量學的歷史,在西方可以追朔到依巴谷(Hipparchus),他編輯了第一本的星表,列出了肉眼可見的恆星併發明了到今天仍沿用的視星等的尺標。直到十六世紀中葉,哥白尼提出了日心體系學說,從只是單純描述天體位置、運動的經典天體測量學,發展成尋求造成這種運動力學機制的天體力學。現代的天體測量學建立在白塞耳的基本星表上,這是以布拉德雷在西元1750至1762年間的測量為基礎,提供了3,222顆恆星的平均位置。

貝塞爾(Friedrich Wilhelm Bessel, 1784-1846),德國著名的天文學家和數學家,天體測量學的奠基人。貝塞爾重新訂正了《布拉德萊星表》,並加上了歲差和章動以及光行差的改正; 他編製了包括比九等星更亮的75000多顆恆星的基本星表,後來由他的繼承人阿格蘭德擴充成著名的《波恩巡天星表》。1837年,貝塞爾發現天鵝座61正在非常緩慢地改變位置,第二年,他宣布這顆星的視差是0.31弧秒,這是世界上最早測定的恆星視差之一。

4 天體測量學 -研究對象

天文學家利用天體測量的技術來追蹤近地小行星,也利用天體位置微小的周期性變動,這是行星與恆星互繞質量中心產生的位置偏移,用來搜尋系外行星。NASA計畫在太空干涉儀任務(SIM行星搜尋)中,應用天體測量的技術來偵測在200光年的距離內,或是最接近的類太陽恆星中,可能存在的類地行星。

天體測量學的測量結果被用來修正天文物理學家在天體力學下建立的一些模型。基於測量得到的波煞速度,可能會導致超新星爆炸是非對稱的結論。同樣的,天體測量的結果也用於確認暗物質在星系內的分佈狀態。

5 天體測量學 -研究方法

天體測量學古代觀測天體
通過研究天體投影在天球上的坐標,在天球上確定一個基本參考坐標系,來測定天體的位置和運動,這種參考坐標系,就是星表。在實際應用中,可用於大地測量、地面定位和導航。地球自轉和地殼運動,會使天球上和地球上的坐標系發生變化。為了修正這些變化,建立了時間和極移服務,進而研究天體測量學和地學的相互影響。

古代的天體測量手段比較落後,只能憑肉眼觀測,對於天體測量的範圍有限。隨著時代的發展,發現了紅外線、紫外線、X射線和γ射線等波段,天體測量範圍從可見光觀測發展到肉眼不可見的領域,可以觀測到數量更多的、亮度更暗的恆星、星系、射電源和紅外源。隨著各種精密測量儀器的出現,測量的精度也逐漸提高。

在天文學產生后的一段很長時間裡,人類只限於用肉眼觀測太陽、月亮、行星和恆星在天空中的位置,研究它們的位置隨時間變化的規律。在對星星測量的基礎上,古代的天文學家注意到恆星在天空的位置相對不動,由此繪製出星圖,劃分星座和編製星表;進而研究太陽、月亮及行星的運動,在測量天體視運動的基礎上編製曆法。17世紀初發明瞭望遠鏡;17世紀下半葉又創立了微積分,發現了萬有引力定律。擁有望遠鏡的巴黎天文台和格林尼治天文台相繼建立起來了。天體測量學的新發現,如光行差現象、地軸的章動現象、恆星視差的測定等等接連為人們所認識,天體測量學的成果通過時間服務和曆書編算(即授時和編歷)等,被運用到大地測量和航海事業等方面。

6 天體測量學 -進展

日晷曾有效的測量時間。
中國最古老的河南登封觀星台是大型的圭表,在沒有鐘錶和日曆的時代,以日影的長短來訂四時。
星盤被發明用來測量天體的高度角。
天體測量的應用導致球面幾何學的發展。

天體測量學牛頓手制的反射望遠鏡

第谷小心的測量行星運動,導致刻卜勒推論出地球繞著太陽公轉的哥白尼原理。
六分儀戲劇化的被用於測量天體間的角度。
布拉德雷以精確的中星儀測量出年周光行差,證明了地球繞日公轉。
電子藕荷放大器(CCD)的發展,並且在1980年代被天文學家所接受,改進了專業天文學家在觀測工作上的精確度。
發展出低價位的電子藕荷放大器與應用軟體,並且大規模的應用在望遠鏡上,使得業餘天文學家也能夠觀察和發現小行星。
從1983至1993年,歐洲太空總署的依巴谷斯(Hipparcos)衛星進行的天體位置測量,編製了精確至20-30微角秒,超過百萬顆恆星的位置表。
由於觀測、參考架、模型、時間尺度精度的不斷提高和完善,國際天球參考系(ICRS)被引入使用,IAU 2000年大會決定從2003年起採用新的天球中介極(CIP)、新的天球中介原點(CIO)、新的歲差-章動模型和新的UT1定義等,並定義了新的中介的運動參考架,由此給天體測量學帶來很大的影響。

7 天體測量學 -歷史成就

遠古時候,並沒有現在的時鐘和日曆,人們通過對太陽的觀察,發明了日晷,根據陰影的長短來判斷時間。
為紀念這一學科的重要性,小行星25000被稱為「天體測量」(Astrometria)。為了航海的需要,法國首先於1671年設立了巴黎天文台,英國也不甘落後,於1675年設立了格林威治皇家天文台。後來俄國的普爾科沃天文台、美國的華盛頓海軍天文台也相繼建成。而這個時期從事天體測量工作的主要是以天文台為基地的專業天文工作者。

天體測量學哈雷

哈雷與彗星
 在航海天文學上發揮最大作用的是英國格林威治天文台,它的第二任台長是哈雷,21歲那年他毅然放棄獲得學位的良機,決心去測量南天星辰的位置。在父親的支持下,攜帶觀測儀器,來到南大西洋,建立了一座臨時天文台,一年之內便作成了第一個南天星辰錶,這使他在22歲時便享有盛名,稱他為「南天的第谷」。他與牛頓一見如故,致力於彗星軌道的研究,應用萬有引力定律,把所有能找到充分觀測資料的彗星軌道一一推算出來。他發現1531年、1607年和1682年3次觀測的彗星軌道十分相似,而且預言這顆彗星將在1758年和1759年再次歸來,它果然如期而來,但哈雷已於1742年去世,為了紀念他的功績,人們把這顆彗星命名為「哈雷彗星」。1716年哈雷曾經建議觀測1761年和1769年金星凌日(即金星過日面現象)來測定太陽的距離。但到實測之時哈雷卻不能親身觀測了,但哈雷的建議還是實現了,而且成為觀測太陽距離的一個好辦法。1718年哈雷還發現了一個重要現象:恆星自行。哈雷得出結論,恆星並不是固定的,而是有它們自己的「自行」。自古以來人們總認為恆星是固定在天球上的,哈雷終於徹底打破了這個「恆星天球」。他的這一發現,在恆星天文學上開闢了廣闊的園地。月亮的運行長期加速現象也是哈雷的又一重要發現。

測量地球
 由於人們承認日心體系,又因天體距離測量的需要,人們迫切想知道地球的大小。18世紀以來,人們又努力去探討地球的扁平形狀問題。牛頓曾從理論上推測,地球的形狀是兩極較扁而赤道部分突出。牛頓的看法遭到了法國學者的反對,經測量巴黎天文台認為地球是西瓜形的。爭論從17世紀末開始,一直延續了半個世紀之久。為了測量準確,法國派遣遠征隊,到秘魯和北極圈實地測量,用測量數據證明牛頓的理論是正確的。根據萬有引力,還測量了地球的質量。

測量太陽的視差
 地球到太陽的距離通常是用太陽的地心視差來表示。地心視差指的是地球半徑對天體的張角。知道了這個角,有知道了地球半徑的長度,地球到某一天體的距離就很容易求出了。但困難的是太陽距離地球很遠,直接測量地心差誤差很大,於是天文學家轉而去求行星的視差。哈雷早就提出利用金星凌日來測得太陽視差的辦法。1761年和1769年天文學家做了充分的準備,組織了不少遠征隊到世界各地去,求得太陽視差為8』』8,被世界承認,直到1967年國際天文界都採用這個數據。

恆星物理學
 19世紀恆星測量學已經發展得相當完善,可以很精確地測定出恆星的方位,到19世紀末,運用三角視差求出距離的恆星已經多達七十餘顆。19世紀中葉在太陽物理學的刺激下,恆星物理學發展起來,促使天文學家使用分光鏡研究恆星。 義大利教授賽奇把恆星按照光譜分成4類,即白星、黃星、橙紅星、深紅星,賽奇認識到這樣的分類是和恆星的溫度有關的;英國的哈斯根弄清了這些恆星的化學組成,指出亮星具有和太陽相同的化學組成,它們的光線來自下層熾熱物,穿過高層具有吸收能力的大氣層而向外輻射。日趨成熟的太陽光譜研究,相當於把地球上的動植物種屬進行了仔細的分類,19世紀後期光譜工作的結果以更精細更有意義的方式,將恆星按光譜型分了組,從而使天文學家們產生了恆星演化的想法,這一想法在20世紀結出了豐碩的成果。

天體測量學「阿波羅」

對月球的空間探測
 1957年人類進入太空時代以後,對太陽系的研究發生了根本的變化,對月球進行多學科的研究。1961年美國「阿波羅」計劃開始,先後執行「徘徊者」、「月球勘測者」、「月球軌道飛行器」三個輔助計劃,1966年正式實施「阿波羅」登月計劃,1972年結束。1969年7月20日「阿波羅」實現了第一次人類登月的創舉。對月球進行了觀測、照相、採樣,還在月面上安裝了各種實驗儀器,發射了月球衛星。「阿波羅」飛行獲得了大量關於月球的科學資料,詳盡地揭示了月球表面的結構特徵,月面物質的化學成分、光學和熱學的物理特性,並探測了月球的重力、磁場和月震等。 前蘇聯的「月球號」探月計劃,首次拍得月球背面照片,據此天文學家繪製了世界第一張月背圖。該計劃的實施,使月球有了自動科學站,由地面站操縱,在月球上自動執行考察任務。 對月球的太空探測,使人類對它的認識進入了嶄新階段,對月球的深層研究開始。

對行星和衛星的空間探測  

天體測量學火星極地著陸者」探測器
 在對行星和衛星的空間探測中美國和前蘇聯處於主導地位,通過發射探測器使人類可以到行星附近去觀測,還可以掘取土樣,做化學、物理的實驗分析。一系列探測活動使我們得到了大量清晰的行星極其衛星的各種照片和大量科學數據。 人們研究太空行星是從地球開始的。發射的人造天體都不同程度對地球做了多種考察,提供了大量新資料,精確測定其形狀、獲得監測天氣圖,非常清楚地知道了地球是怎樣「工作」的。

人類關注的第二顆行星是火星。這顆紅色的星球自古以來就對天文學家有一種誘惑力,它是我們地球的鄰居。1964年美國「水手4號」拍攝了火星照片,發現了火星表面有不少像月球上那樣的環行山,1971年發現火星上有巨大的火山、峽谷和寬敞的河床,還特別做了生物探測實驗,結果表明火星上不存在生命。美、蘇兩國的探測活動揭開了金星表面的神秘面紗,原來金星表面被一層濃密的大氣包圍,大氣中的二氧化碳含量佔97%以上,產生極為強烈的溫室效應,致使其表面溫度高達465~485℃,而且基本上沒有地區、季節、晝夜的區別。金星表面大氣層頂部存在著與其自轉方向相同、速度高達320千米/秒的大環流。金星表面的大氣壓約為地球的90倍,而且有非常頻繁的放電現象。金星表面被濃雲密霧所覆蓋,用普通攝影的方法無法了解其表面真實情況,美國科學家用雷達手段,對金星表面93%的地形進行勘察,繪出了精密的金星表面圖,金星的表面被名為玄武岩的火成岩覆蓋著。

 截止21世紀,只有一艘探測器探測過水星,美國「水手10號」曾3次飛臨水星,對水星表面60%的區域做了攝影考察,得到大量水星情報。水星的表面很像月球,有大大小小的環形山,其表面大氣一直非常稀薄,晝夜溫差十分懸殊。「水手10號」還發現水星有磁場,與地球磁場相似,是偶極場。

木星和土星是各種媒體和人們關注最多的話題,是行星探測器光顧最多的兩顆行星,發回了大量照片,獲得重大發現,包括木星環、極光、木衛一的火山爆發和關於5顆木衛的精彩照片,證實了木星的磁層、磁場、輻射帶和極光。

8 天體測量學 -分支體系

球面天文學
方位天文學
實用天文學
天文地球動力學

9 天體測量學 -與天體力學關係

天所謂經典天文學是指天體測量學和天體力學。天體測量學主要是研究和測量天體的位置和運動的,它是天文學中最先發展起來的一個分支,可以說,早期天文學的內容就是天體測量學。天體力學是研究天體運動和形狀的科學,它是在天體測量學的基礎上發展起來的。開普勒提出的行星運動三定律,為天體力學的建立創造了條件。牛頓提出的萬有引力定律則奠定了天體力學的基礎。18世紀天文學的主流是為了制定曆法和航海的需要而進行的精密的子午線觀測、月球運動的觀測和日地距離的測定等,所以天體測量學佔主導地位。但在18世紀末,天體力學取得了與天體測量學並肩的地位。

天體測量學無線電信號對天體表面進行測量的原理圖

天體力學與天體測量學一向是密切配合的,依靠觀測太陽、月球、大行星和小行星的大量資料和天體力學的研究方法,總結出太陽系天體(特別是地球和月球)的運動理論。它不但為太陽系演化的研究提供素材,而且是測定天文時間與導航工作的重要依據。在航天時代,天體測量技術的提高與天體力學方法的改進,更是相輔相成,互相推動。例如,研究人造衛星和宇宙飛行器的軌道,研究地球和月球運動的細節,都需要天體力學與天體測量學的配合。 對恆星的位置、自行和視差觀測所得到的恆星的空間分佈和運動狀態的資料,是研究天體物理學,特別是研究恆星天文所需的基本資料。對銀河繫結構、星團和星協動力學演化、雙星系統和特殊恆星的研究及宇宙學的研究,都需要依據大量的天體測量資料,這就對天體測量學提出更高的要求。

隨著科學技術的發展,探空火箭、人造衛星和探測器的相繼發射,突破了地球大氣與磁場這兩道屏障,賦於天文學以嶄新的生命力。氣象衛星、測量衛星、地球資源衛星等等從環繞地球的軌道上,居高臨下仔細觀測地球,使我們對地球的認識大大前進了一步。千百年來,我們對太陽系中的其他天體只能從遠處憑跳,可望而不可及。現在,我們既能發射探測月球和各行星的衛星,並已把探測器降落到幾個行星表面,直接收集第一手材料。隨著觀測設備和手段的不斷進步,觀測的波段也由單一的光學觀測發展到全波段觀測,使X射線天文學、γ射線天文學、紅外天文學和紫外天文學等新的研究領域爭放異彩。在空間技術高度發展的21世紀,天文觀測研究已由地面觀測進入空間時代。

10 天體測量學 -相關書籍

天體測量學《天體測量方法》
作  者: 李東明//金文敬//夏一飛

出 版 社: 中國科學技術出版社

出版時間: 2006年08月 版  次: 1

印刷時間: 2006年08月 開  本: 4

I S B N : 7504642762 包  裝: 1

分  類: 科學與自然 > 實驗、儀器與測量科學與自然 > 天文學 > 天體測量學

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